第一章 数据通信的基本知识

计算机网络与通信北京联合大学自动化学院陈旭升课程内容：通过本课程的学习和上机实验，使学生掌握计算机网络技术与通信技术的基本理论和基本原理，了解现代通信新技术的应用，熟悉各种常用的网络与通信协议，重点是TCP/IP协议。掌握使用Windows2000网络操作系统组网的技能，并具备局域网基本的设计、组建与管理的能力。1.谢希仁.计算机网络教程.北京：人民邮电出版社，20022.石硕编著.计算机网络实验技术.北京：电子工业出版社，20023.朱艳琴，钱龙华等.计算机网络.北京：北京希望电子出版社，2002参考资料：考核方式：1.60学时/4学分。2.考试课。3.平时成绩占30%，期末考试成绩（闭卷）占70%。4.平时成绩包括作业、提问、测验、出勤情况。5.平时成绩加分因素。实验安排：1.地点：实验楼05192.课上通知。第1章数据通信的基本知识主要内容：1.1数据通信的基本概念1.2数据传输与编码1.3数据通信方式1.4差错控制技术1.1数据通信的基本概念1.1.1通信系统的构成图1-1远程计算机之间通信例：将上面的计算机间传输文件的系统抽象化，就是数据通信系统的一般结构模型，如图1-2所示。1.1.1通信系统的构成信息数据信号图1-2通信系统的结构模型1.1.1通信系统的构成源系统一般包括以下两部分：1.源站：输入设备2.发送器：目的系统一般包括以下两个部分：1.接收器：2.目的站：输出设备，目的站设备从接收器获取传送来的信息。1.1.2信息、数据和信号1.信息不同领域对信息有各种不同的定义，一般认为信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。2.数据和信号数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。1.1.2信息、数据和信号图1-3信息、数据和信号1.1.2信息、数据和信号图1-4模拟信号和数字信号信道(channel)是数据信号传输的必经之路，由相应的传输线路和传输设备组成。信道的分类方法有很多:1.物理信道和逻辑信道2.有线信道和无线信道3.模拟信道和数字信道4.专用信道和公共交换信道1.1.3信道及信道的分类1.1.4码元和码字及数据单元1.码元和码字在计算机网络中传送的每一位二进制数字被称为“码元”。由7个码元组成的二进制序列被称为“码字”。2.数据包大多数计算机网络都不能连续传输任意数量的数据，网络系统把数据分成小块单独发送，这种小块称作包(packet)。1.1.4码元和码字及数据单元3.数据帧(frame)尽管术语包指的是小数据块的一般概念，但在确切的包格式方面没有达成完全一致。相反，每种硬件技术都定义了能在该硬件上传输的包的细节，并指明了包的位串是如何传输的。为了帮助区分包传输的一般概念与特定硬件技术所使用的包，我们用术语帧(frame)来定义在特定网络类型中的包。1.1.5通信系统的主要技术指标1.数据传输速率S(比特率)和波形调制速率B(波特率)(1)比特率S比特率是一种数字信号的传输速率，它是指在有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数。(2)波特率B波特率是一种调制速率，也称波形速率。它是指数字信号经过调制后的速率，即经过调制后的模拟信号每秒钟变化的次数。B=1/T(baud)1.1.5通信系统的主要技术指标比特率与波特率之间有下列关系：S=Blog２N(b/s)表1-1比特率和波特率的关系波特率B1200120012001200多相调制的相数N=2N=4N=8N=16比特率S1200240036004800注意：常在数字数据变化成模拟信号传输时用到波特率的概念，也称为调制速率。1.1.5通信系统的主要技术指标2.带宽及与数据传输速率的关系带宽是指物理信道的频带宽度，即信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差，单位为赫兹(Hz)。在许多资料上也借用带宽这个词来描述数字信道的容量，比如说某信道的带宽为56KHz，此时和说该信道的数据为56Kbit/s含义是相同的。注意：任何信号都可以分解成多种不同频率信号的和。信号的带宽是指最高频率与最低频率的差，即频率范围。信号的带宽应取其主要频率范围。传输系统的带宽要远远高于信号的带宽。带宽的单位为hz。数字传输系统中，带宽用数据传输率表示。那系统带宽与数据传输率又如何的关系呢？3.信道容量和Shannon定理信道容量是一个极限参数，它一般是指在传输系统的给定带宽上能够传输的最大数据传输速率，信道容量C的单位是bit/s，它依赖于所传送信号的能量和信道噪声特性。Shannon把信道容量和带宽联系起来定义了著名通信定理——香农定理：NSWC/1log2sbit/（（）式中S是信道中传送的信号功率，N是信道带宽内总的噪声功率，而S/N时信号和噪声能量毕，即信噪比。W为带宽。香农定理指出：(1)提高信噪比S/N能够增加信道容量C。(2)当噪声功率N→0时，信道容量C→∞，既无干扰信道的容量为∞。(3)信道容量一定时，带宽W与信噪比S/N之间可以互换，既提高信噪比与提高带宽具有等价意义。3.信道容量和Shannon定理4.误码率P(errorrate)(1)误码率P定义误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，其定义是：二进制码元在传输系统中被传错的概率。Pe=Ne/NNe——其中出错的位数；N——传输的数据总数。(2)误码率的性质、获取与实用意义性质：误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。获取：在实际数据传输系统中，人们通过对某种通信信道进行大量重复测试，才能求出该信道的平均误码率。4.误码率P(errorrate)1.2.1数据传输1.2数据传输与编码数字数据数字信号模拟数据模拟信号音频电话系统模拟信号(a)模拟数据在模拟信道上传输二进制数调制解调器模拟信号(b)数字数据在模拟信道上传输模拟数据编码译码器数字信号(c)模拟数据在数字信道上传输数字数据数字发射机数字信号(d)数字数据在数字信道上传输图1-5数据传输形式1.2.2基带传输与信号编码使用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占有整个频带，也就是终端设备把数字信号转换成脉冲电信号时，这个原始的电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。在信道中直接传送基带信号(未作处理的原始信号)时，称为基带传输。基带传输也就是把数字数据变成数字信号传输。1.2.2基带传输与信号编码在基带传输中，常采用以下3种编码方法。如下图所示。1.2.2基带传输与信号编码1.不归零NRZ编码(Non-ReturntoZero)编码规则：使用负电压表示0，正电压表示1。优点：简单、容易实现。缺点：难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特流中提取同步信号。所以为保证收发双方同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号。应用：计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中的不归零编码技术。1.2.2基带传输与信号编码2.曼彻斯特编码(Manchester)编码规则：将每个码元再分成两个相等的间隔，在固定的每位中间变换电位。即1是由低至高电平转换，其前半个码元的电平为低电平，后半个码元的电平为高电平。0正好相反，从高电平到低电平转换，即其前半个码元为高电平，后半个码元为低电平。优点：可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，同时由每位中间调变提供了同步时钟定时，这对接收端提取同步信号非常有利，是一种“自含时钟”的编码方式。缺点：效率较低。3.差分曼彻斯特编码(DifferentialManchester)编码规则：它与曼彻斯特编码有个共同点，即在每一个码元的位中间有一次电平的变换，1表示前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一致；0则为其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反，即用每位开始时有无电平的跳变来表示0或1的编码。优点：是“自含时钟”的编码方式，可获得较好的抗干扰性能。缺点：实现技术复杂。1.2.2基带传输与信号编码1.利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为频带传输。2.在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为“调制”，相应的设备称为“调制器”。在接收端将模拟信号还原成数字信号的过程称为“解调”，相应的设备称为“解调器”。同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器”。也就是把数字数据变成模拟信号传输。1.2.3频带传输与调制1.振幅调制(amplitudemodulation)振幅调制又叫振幅键控(AmplitudeShiftKeying-ASK)它的调制方法是保持角频率ω和相位φ不变，而只改变振幅A。当传输的基带信号为1时，振幅调制信号对应于某个振幅值A；当传输的基带信号为0时，振幅调制信号的振幅为0。对应于基带信号0和1，在振幅调制中，相应的载波信号可以表示为：U(t)=Asin(ωt+φ)数字“1”U(t)=0sin(ωt+φ)=0数字“0”波形图如下图所示。1.2.3频带传输与调制2.频率调制(FrequencyShiftKeying-FSK)频率调制也叫频率键控，它使用数字基带信号控制载波信号的频率。在频率调制中，振幅和相位保持不变，角频率随基带信号而改变，对应于数字1，角频率为ω1，对应于数字0，角频率为ω2。相应的频率调制信号可以表示为：U(t)=Asin(ω1t+φ)数字“1”U(t)=Asin(ω2t+φ)数字“0”波形图如下图所示。1.2.3频带传输与调制1.2.3频带传输与调制3.相位调制((PhaseShiftKeying-PSK)相位调制也叫相位键控，在相位调制中，振幅A和频率ω保持不变，初始相位为变量。相位调制又可分为绝对相位调制和相对相位调制。(1)绝对相位调制在绝对相位调制中，用相位的绝对值表示数字信号“0”、“1”。例如用初始相位为0表示数字“1”，初始相位为π表示数字“0”，相应的调制信号可以表达为：U(t)=Asin(ωt+0)数字“1”U(t)=Asin(ωt+π)数字“0”波形图如下图所示。(2)相对相位调制在相对相位调制中，用当前波形的初始相位相对于前一个波形的初始相位的偏移值来表示数字信号“0”、“1”。例如，用当前波形的初始相位相对于前一个波形的初始相位的偏移值为0表示数字信号“0”；偏移值为π表示数字信号“1”。其对应的相对相位调制波形图如下图所示。1.2.3频带传输与调制模拟信号编码方法补充1.模拟数据变成数字信号传输:常用方法如PCM技术（脉冲编码调制）（1）PCM技术分为三过程：采样：每隔一段时间对信号进行取样量化：对信号取整并分级编码：用若干位二进制数表示量化级别待传序列：001001010010010011101……补充注意：采样定理。f采＞＝2*信号的最高次频率或f采＞＝2*信道带宽例题：某信道带宽为4kHZ，传输模拟信号。采用128级量化，问编码后的数据传输率为多少？解：每采样一次得到7bit8k*7bit=56kbps2.模拟数据变成模拟信号传输:使传输更有效：AM、FM例如：把慢速的模拟信号叠加在快速的载波（正弦波）上。1.3数据通信方式1.3.1串行与并行通信1.并行通信并行通信中，一般有8个数据位同时在两台设备之间传输，如下图所示。图中，发送端和接收端有8条数据线相连，发送端同时发送8个数据位，接收端同时接收8个数据位，其中1位可以作为校验位。典型的并行通信的例子是计算机和并行打印机之间的通信。组成数据的各位被同时发送。图并行数据传输1.3数据通信方式1.3.1串行与并行通信2.串行通信在串行通信中，收发端一次只能发送或接收1个数据位，数据位依次串行的通过通信线路。发送器接收器并串转换串并转换87654321图串行数据传输1.3.2同步与异步通信1.同步通信(1)什么是同步通信？在通信中，接收端要按发送端所发送的每个码元或数据块的时钟频率以及起止时间来接收数据，这样才能保证接收的数据与发送的数据一致，这就是所谓的“同步”。在通信时，接收端要校准自己的时间基准和时钟频率，以便和发送端保持一致，这一过程称为“同步过程”。首先是位同步